nhà máy thủy điện và điện mặt trời.Tính toán bằng tay và sử dụng matlab giải quyết bài toán vận hành tối ưu nhà máy điện bằng phương pháp Lagarange

giời thiệu sơ bộ về nhà máy thủy điện, nhà máy năng lượng mặt trời và tình hình phát triểu chúng ở Việt Nam. giải quyết bài toán vận hành tối ưu nhà máy điện bằng cách tính tay và chạy mô phòng bẳng code matlab áp dụng thuật toán lagrange

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MỤC TIÊU TIỂU LUẬN Bài tiểu luận này là tổng hợp các kiến thức mà tôi đã học trong bộ môn “vận hành

nhà máy và hệ thống điện” tại Đại học Tôn Đức Thắng Nội dung bài tiểu luận bao gồm

các vấn đề về nhà máy điện như tìm hiểu về một nhà máy điện truyền thống, 1 nhà máy điện sử dụng năng lượng tái tạo Ngoài ra, bài tiểu luận còn đề cập đến phương pháp vận

hành nhà máy và hệ thống điện một cách tối ưu dựa trên thuật toán Lagarange Trong

tiểu luận sẽ bao gồm cách giải tay một bài toán vận hành tối ưu để hiểu vấn đề và sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB để lập trình giải quyết bài toán nhanh chóng, hiệu quả và chính xác Bên cạnh đó, bài tiểu luận còn bao gồm việc vận hành kinh tế trạm biến áp

CHƯƠNG 1 NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 5

1.1 Khái niệm nhà máy thủy điện: 5

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của nhà máy thủy điện: 5

1.2.1 cấu tạo cơ bản: 5

1.2.2 Nguyên lý làm việc: 9

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của nhà máy thủy điện: 10

1.3.1 Ưu điểm của nhà máy thủy điện: 10

1.3.2 Nhược điểm của nhà máy thủy điện: 10

1.4 Thời gian xây dựng và vốn đầu tư: 11

1.5 Tính hình thủy điện hiện nay: 11

CHƯƠNG 2 NHÀ MÁY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12

2.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời: 12

2.1.1 Tiềm năng của năng lượng mặt trời: 12

2.1.2 PIN mặt trời: 12

2.2 Nhà máy điện pin mặt trời: 13

2.2.1 Cấu tạo: 13

2.2.2 Nguyên lý làm việc của nhà máy năng lượng mặt trời: 15

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời: 17

2.3 Tình hình hiện nay của nhà máy năng lượng mặt trời tại Việt Nam: 18

CHƯƠNG 3 Tính toán bằng tay và sử dụng matlab giải quyết bài toán vận hành tối ưu nhà máy điện bằng phương pháp Lagarange 19

3.1 Đề bài toán vận hành tối ưu 1: 19

3.1.1 Tính toán bằng tay: 20

3.1.2 Lưu đồ giải thuật: 22

3.1.3 Giải bài toàn bằng chương trình matlab: 23

3.2 Sử dụng matlab giải quyết bài toán vận hành tối ưu với các trường hợp tổ máy vi phạm: 26

3.2.2 Trường hợp chỉ có một tổ máy vi phạm max: 28

3.2.3 Trường hợp có 1 tổ máy vi phạm max và 1 tổ máy vi phạm min: 30

3.3 Vận hành tối ưu có xét đến tổn thất: 32

3.3.1 Viết lại code cho trước: 32

3.3.2 Dùng matlab giải quyết bài toán: 33

3.3.3 Tính toán bằng tay bài toán vận hành với dữ liệu đã cho: 35

3.3.4 Lưu dồ giải thuật cho bài toán vận hành tối ưu có tổn thất: 36

CHƯƠNG 4 Vận hành kinh tế trạm biến áp 38

4.1 Khái niệm: 38

4.2 Các loại tổn hao trong máy biến áp: 38

4.2.1 Tính tổn hao trong máy biến áp: 38

4.2.2 Giới hạn công suất chuyển số máy biến áp làm việc: 39

CHƯƠNG 1 NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

1.1 Khái niệm nhà máy thủy điện:

Nhà máy thủy điện là nơi lợi dụng sức mạnh của dòng nước để chuyển đổi thành điện năng Nước sẽ được tích trữ lại vào một con đập và sẽ được liên tục xã ra để tạo nên một dòng chảy có tốc độ đã được tính toán sẵn dựa vào độ dốc của con đập, lưu lượng

nước,…Dòng nước sẽ làm quay tuabin được gắn đồng trục với máy phát điện, nơi chúng được chuyển thành năng lượng điện

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của nhà máy thủy điện:

1.2.1 cấu tạo cơ bản:

 Đập nước và hồ chứa nước:

Đập nước là phần quan trọng nhất đối với độ an toàn và vận hành lâu dài của một nhà máy thủy điện Đây là bộ phận cần thi công đầu tiên khi khởi công một nhà máy thủy điện Đập nước có vai trò trữ nước lại để đảm bảo cho việc nhà máy điện hoạt động liên tục và ổn định

 Cổng kiểm soát và ống dẫn nước:

Cổng kiểm soát có vai trò kiểm soát lưu lượng của dòng nước chảy vào ống dẫn Các ống dẫn chịu áp đưa nước từ trong đập chảy qua tuabin, áp lực nước sẽ tăng dần trong quá trình chảy từ đập qua ống dẫn, làm cho dòng nước chảy mạnh hơn

 Tuabin:

Tuabin là bộ phận trực tiếp nhận năng lượng từ dòng chảy của nước Khi nước chảy qua

sẽ làm quay các cánh quạt lớn của tuabin Trục của tuabin sẽ được gắn đồng trục với trục của máy phát điện nằm trên nó Tuabin được sử dụng phổ biến trong các nhà máy điện tại Việt Nam là tuabin Francis trục đứng

Hình ảnh minh họa tuabin Francis trục đứng

 Máy phát điện:

Máy phát điện là một động cơ đồng bộ ba pha biến cơ năng ở roto thành điện năng ở stator

Các bộ phận chủ yếu của nó bao gồm:

Roto: là bộ phận quay của động cơ Trục của tuabin sẽ được gắn đồng trục với roto của máy phát Khi tuabin quay sẽ kéo theo các nam châm điện của roto quay theo và tạo nên

từ trường quay

Stator: là bộ phận đứng yên Nó được tạo thành từ các cuộn dây được bố trí đều trên khung tròn Khi có từ trường quay được tạo ra từ roto quét qua các cuộn dây stator sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng ở tại các ổ cực của stator Dòng điện sinh ra là dòng điện xoay chiều ba pha

Để đảm bảo việc máy phát luôn phát ra điện có tần số nối lưới 50Hz, ta cần đảm bảo tốc

độ quay của roto chính xác Vì thế nên cần có thêm bộ điều tốc cho roto

 Máy biến áp:

Nguồn năng lượng điện được tạo ra từ máy phát sẽ được đưa qua trạm biến áp nhằm mục đích tăng điện áp lên để truyền tải đi nơi tiêu thụ

Hình ảnh minh họa cổng xả tràn(bên trái) và cổng xả đáy(bên phải)

1.2.2 Nguyên lý làm việc:

Hình ảnh minh họa nguyên lý làm việc đơn giản của nhà máy thủy điện

Nước sẽ được trữ lại vào một con đập lớn để duy trì sự vận hành liên tục của nhà máy thủy điện

Khi nhà máy hoạt động, cổng kiểm soát sẽ mở ra, đưa lượng lớn nước trong đập vào trong đường ống dẫn nước

Nước sẽ được tăng áp trong quá trình chảy trong ống dẫn nước chảy qua làm quay tuabin

khung dây của stator tạo nên điện cảm ứng ở các cực của stator sinh ra dòng điện xoay chiều ba pha

Để đảm bảo điện sản xuất ra có tần số phù hợp nối lưới cần ổn định tốc độ quay của roto bằng thiết bị điều tốc

Dòng điện sinh ra từ máy phát được đưa qua trạm biến áp nhằm nâng cao điện áp để truyền tải lên lưới

Phần nước sau khi đã qua tuabin sẽ được tiếp tục đưa ra cửa xả đáy xuống hạ lưu

Khi mực nước trong đập dâng lên quá mức an toàn Hệ thống cửa xả tràn sẽ hoạt động để nhằm bảo vệ con đập

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của nhà máy thủy điện:

1.3.1 Ưu điểm của nhà máy thủy điện:

Nước là nguồn nguyên liệu có sẵn và không tốn chi phí, chính vì thế nên các nhà máy thủy điện sẽ không cần bận tâm đến các vấn đề như giá nguyên vật liệu tăng giảm như các nhà nhiệt điện

Tuổi thọ của nhà máy thủy điện dài hơn nhiều so với các nhà máy nhiệt điện Trên thế giới có một số nhà máy xây dựng và hoạt động cho đến nay đã được 50 thậm chí 100 năm

Mức độ tự động hóa cao Khi vận hành bình thường chỉ cần lượng ít nhân công giám sát

và điều hành nên tiết kiệm được khoảng chi phí về nhân công

Nhà máy thủy điện cho phép phát điện ở mức thấp vào giờ thấp điểm Đây là ưu điểm hơn của nhà máy thủy điện so với nhiệt điện do các nhà máy nhiệt điện không thể ngừng hoạt động hẵng mỗi ngày Việc vận hành này giúp cải thiện hệ số tải điện của một số hệ thống phát điện

1.3.2 Nhược điểm của nhà máy thủy điện:

Do phải xây dựng đập cần phải kiên cố và mức độ an toàn cao nên vốn đầu tư bỏ ra ban đầu khá lớn Thời gian triên khai dự án cho đến khi hoàn thành rất lâu

Mặc dù nước là nguồn năng lượng sạch và việc tạo ra điện năng từ nước không thải ra các khí gây ô nhiễm môi trường, nhưng việc xây nhà máy trên các dòng sông sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái của các loài động thực vật của con sông Việc xây nhà máy trên các con sông sẽ gây ảnh hưởng lớn đến đời sống của người dân ở dưới vùng hạ lưu con sông Khi thời tiết khô nóng, mưa ít, thủy điện phải trữ nước lại để

duy trì hoạt động sản xuất điện Chính vì thế khu vực dưới vùng hạ lưu sẽ có nguy cơ bị hạn hán nặng, thiếu nước tưới tiêu, thiếu nước sinh hoạt Ngược lại khi mùa mưa đến, lưu lượng và mực nước tăng cao buộc nhà máy thủy điện phải tiến hành xã đập nhằm giữ an toàn cho nhà máy và con người Tuy nhiên việc xã đập ấy sẽ gây ngập úng ở các vùng hạ lưu bên dưới

1.4 Thời gian xây dựng và vốn đầu tư:

Như đã nói ban đầu Thời gian xây dựng của nhà máy thủy điện là tương đối dài và vốn đầu tư bàn đầu là rất lớn, đó là nhược điểm lớn của nhà máy thủy điện

Thời gian xây dựng 1 công trình thủy điện là rất lâu, được tính bằng đơn vị năm Ví dụ nhà máy thủy điện lớn bậc nhất Việt Nam ta là nhà máy Hòa Bình được khởi công từ ngày 6 tháng 11 năm 1979, và mãi cho đến ngày 20 tháng 12 năm 1994 mới được khánh thành Công trình lúc bấy giờ sản sinh ra mức điện năng là 1920 MW gồm có 12 cửa xả

và 8 tô máy, mỗi tổ máy có công suất là 240W Số tiền vốn đầu tư cho nhà máy Hòa Bình lên đến 1.904.783.458.926 đồng

Một ví dụ khác là thủy điện Trung Sơn, là một dự án đầu tư với quy mô trung bình nhưng tổng vốn đầu tư của nó lên đến 411.57 triệu đô la Mỹ

1.5 Tính hình thủy điện hiện nay:

Do đặc điểm địa hình và khí hậu nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, có lượng mưa trung bình năm khoảng 1800 - 2000mm nên tiềm năng thuỷ điện của Việt Nam tương đối lớn Trong đó, trữ năng kinh tế ước đạt 80 - 100 tỉ kWh/năm Riêng tiềm năng thuỷ điện vừa và nhỏ có tới 800 dự án, với tổng điện năng khoảng 15 - 20 tỉ kWh/năm Hiện tại ở Việt Nam trên lý thuyết tổng lượng thủy điện tại Việt Nam cho đến năm 2014 chiếm 32% trong tổng lượng sản xuất điện

Trong những năm qua, các nguồn thuỷ điện nói chung giữ một vai trò quan trọng trong

hệ thống điện Thực tế ở Việt Nam đã cho thấy rằng, thuỷ điện vừa và nhỏ giữ vai trò đáng kể trong nguồn điện nói chung và nguồn thuỷ điện nói riêng Quy hoạch điện VII đặt ưu tiên phát triển các nguồn thuỷ điện, trong đó có thuỷ điện vừa và nhỏ

CHƯƠNG 2 NHÀ MÁY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời:

2.1.1 Tiềm năng của năng lượng mặt trời:

Theo ước tính của các nhà khoa học trên thế giới, công suất năng lượng mà mặt trời chiếu vào trái đất được ước tính vào khoảng 174 triệu tỷ Watt Trong đó nguồn năng lượng có thể chuyển thành năng lượng hữu dụng được ước tính khoảng 86 triệu tỷ watt Đó là con

số vô cùng lớn và đáng kinh ngạc Bởi vậy ta có thể nói, nguồn năng lượng tương lai của toàn thế giới chính là năng lượng mặt trời

2.1.2 PIN mặt trời:

PIN mặt trời là thiết bị có thể biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời trở thành điện năng PIN mặt trời được hình thành nhờ sự phát triển của công nghệ chất bán dẫn Cấu tạo của Pin mặt trời chủ yếu là công nghệ chất bán dẫn PIN mặt trời dễ lắp đặt, sử dụng cho nên phù hợp với những nơi mà lưới điện chưa thể vươn tới

Cấu tạo của pin mặt trời như đã nói là chất bán dẫn, cụ thể hiện nay được sử dụng rộng rãi để sản xuất pin mặt trời là bán dẫn Si tiếp xúc p-n

Bán dẫn p-n đóng vai trò là 2 điện cực trong pin 2 điện cực tiếp xúc với nhau, các

electron mang điện tích âm bên trong lớp bán dẫn n sẽ khuếch tán sang bán dẫn p là trung hòa điện tích ở đầu lớp tiếp xúc, đồng thời các proton mang điện tích dương cũng khuếch tán sang bán dẫn n làm trung hòa điện tích ở đầu lớp tiếp xúc Chính vì thế khi ở trạng thái bình thường, chất bán dẫn sẽ không có dòng diện chạy từ bán dẫn n sáng p

Khi có ánh sáng chiếu vào, các electron ở lớp tiếp giáp sẽ tách ra khỏi proton lỗ trống trở thành điện tích tự do Nếu ta nối 2 cực vào mạch điện ngoài sẽ xuất hiện dòng điện chạy

từ bán dẫn n sang p và qua thiết bị trở lại n Hiện tượng này xảy ra là do khi có ánh sáng chiếu vào, các electron hấp thụ các photon ánh sáng sinh ra năng lượng đủ để đưa

electron lên mức năng lượng cao hơn

Nguyên lý cấu tạo của PMT 2.2 Nhà máy điện pin mặt trời:

2.2.1 Cấu tạo:

Các tấm pin mặt trời nhỏ hay còn gọi là các cell sẽ được kết hợp lại thành một tấm modul

PV Nhà máy điện pin mặt trời là một tổ hợp gồm nhiều modul PV ghép lại với nhau tạo

ra công suất đủ lớn Vì vấn để hiệu suất khi chuyển đổi quang năng thành điện năng cho nên thông thường các nhà máy điện pin mặt trời chỉ sản xuất điện năng để cung cấp cho các lưới trung thế Chính vì vậy mà nhà máy điện pin mặt trời thường xây dựng gần với lưới điện trung thế để dễ dàng kết nối

Dưới đây là hình minh họa cho một nhà máy điện pin mặt trời cơ bản:

Như đã nói trên, các modul PV được kết nối với nhau tạo nên một tấm pin lớn Nhà máy gồm rất nhiều tấm pin như vậy kết nối với nhau để đảm bảo về dòng điện và điện áp sinh

ra

Hiện tượng quang điện chỉ có khả năng tạo nên dòng điện một chiều Chính vì thế, bộ phận quan trọng không kém của nhà máy điện mặt trời đó chính là bộ chuyển đổi điện năng Inverter Một nhà máy bao gồm nhiều các inverter, mỗi inverter sẽ được kết nối với

1 array pin mặt trời

Sau khi qua bộ inverter chuyển đổi và ổn định chất lượng điện năng, phần nhỏ nguồn điện sinh ra sẽ quay lại phục vụ cho tự dùng của nhà máy Phần điện năng còn lại sẽ đi qua hệ thống trạm biến áp làm tăng điện áp lên để hòa lưới

Dưới đây là sơ dồ đấu nối của Nhà máy điện pin mặt trời:

Ngoài các cấu tạo cơ bản của nhà máy năng lượng mặt trời đã kể trên còn có bộ phận quan trọng giúp tăng hiệu suất thu gom năng lượng mặt trời, đó chính là bộ phận quay của tấm pin mặt trời

Theo nghiên cứu và khảo sát thực tế, để tấm pin có thể hấp thu hết mức có thể bức xạ của mặt trời tại thời điểm cụ thể, tấm pin cần đặt nghiêm co với mặt phẳng vuông góc với mặt trời một góc beta=11o và quay về hướng nam

2.2.2 Nguyên lý làm việc của nhà máy năng lượng mặt trời:

Tấm pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều modul Các modul sẽ được liên kết nối tiếp với nhau tạo thành các string

Kết nối các modul thành string Việc nối tạo string này giúp tăng điệp áp của tấm pin lên Mỗi tấm pin sẽ có một điện áp định mức, khi nối tiếp lại sẽ tạo nên điện áp lớn hơn, vừa đủ cho ngõ vào điện áp DC của Inverter

Các string sau đó sẽ được nối song song với nhau thông qua một thiết bị gọi là string box String box là hộp đấu nối ngoài trời để đấu nối các dãy string PV song song tạo thành các array đồng thời bảo vệ quá áp, quá dòng, quá xung và cắt sét lan truyền nhằm bảo vệ bộ Inverter hòa lưới Thông thường một hộp này là kết nối cho một array và đầu ra kết nối với Inverter, một nhà máy hay một trạm điện mặt trời có nhiều array

Việc đấu nối các string thành array nhằm mục đích tăng cường độ dòng điện tạo ra theo yêu cầu ngõ vào DC của Inverter

Kết nối các string thành array Sau khi đã có các array, tiếp tục tiến hành nối các array lại và đưa vào biến tần hoặc để tiếc kiệm chi phí, người ta thường gắn mỗi array là 1 biến tần nhỏ

Kêt nối các Array với biến tần Các kết nối sau đầu ra của biến tần là trạm biến áp của hệ thống điện thuộc nhà máy Sau điện kế trung áp là điểm đấu nối của nhà máy với lưới điện trung áp

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời:

2.2.3.2 Nhược điểm:

Chi phí ban đầu đầu tư cho nhà máy là quá cao

Năng lượng mặt trời phụ thuộc vào thời tiết Nếu khu vực gắn pin mặt trời có hiện tượng mây che thì nhà máy vẫn có thể thu năng lượng mặt trời, tuy nhiên hiệu suất và chất

Array

1 Array

Array

3 Array

63

BIẾN TẦN

Hệ thống năng lượng mặt trời có lưu trữ giá thành khá cao, bộ lưu chiếm tới 40% giá thành của hệ thống

Rất khó để tiến hành xây dựng nhà máy năng lượng mặt trời với công suất lớn do diện tích đặt các modul như thế là quá lớn

2.3 Tình hình hiện nay của nhà máy năng lượng mặt trời tại Việt Nam: Việt Nam trong suốt 20 năm phát triển khoảng hơn 2400KWp Hơn 3000 hộ dân vùng sâu, vùng xa đã được điện khí hóa bằng các hệ điện mặt trời gia đình, 8500 người được

sử dụng ĐMT qua các trạm sạc

Dưới đây là một số kết quả sử dụng PIN mặt trời ở Việt Nam ta:

Hệ thống Pin mặt trời trên đảo Trường Sa +Pin mặt trời cho các đảoTrường Sa

Trên quần đảo hiện có tới 4.093 tấm pin mặt trời 220wp do SOLARLAB lăp đặt và đã vận hành hơn 10 năm, cung cấp điện cho thông tin liên lạc và thắp sáng

Nhà máy Pin mặt trời của công ty Intel Việt Nam

CHƯƠNG 3 Tính toán bằng tay và sử dụng matlab giải quyết bài toán vận hành tối ưu nhà máy điện bằng phương pháp

Lagarange

3.1 Đề bài toán vận hành tối ưu 1:

 Nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy đang hoạt động với đặc tính chi phí nhiên liệu như sau: